根据离散元颗粒模型理论，选择茶叶颗粒形状、接触力学模型以及接触判断算法，构建流体与茶叶颗粒之间的气固耦合方程；基于气固耦合方程，验证杀青机滚筒转速、导片板数量、滚筒倾角对杀青过程中对茶叶颗粒孔隙率、茶叶含水率、温升速率、去水速率的影响；分析影响杀青效果主要因素，得出茶叶杀青优化评判标准，对杀青机机械结构和运动参数进行优化设计。青机机械结构和运动参数进行优化设计。青机机械结构和运动参数进行优化设计。
【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置
[0001]本专利技术涉及有关茶叶杀青机装置的结构优化方法，特别涉及的是基于离散元原理的叶杀青机结构优化设计方法。
技术介绍
[0002]我国是茶树起源地，茶叶生产历史悠久，茶区幅员广阔。绿茶是以适宜茶树新叶为原料，未经发酵，经杀青、揉抢、干燥等典型工艺过程制成的茶叶，其干茶色泽和冲泡后的茶汤、叶底以绿色为主。绿茶在现今各种茶类中产量最高，约占全国茶叶产量的70％。绿茶既是我国茶叶出口的大宗传统产品，又是我国茶叶生产和消费的主导产品。国内目前对于绿茶加工技术和设备的研究较为落后，因此针对绿茶加工技术的研究和绿茶加工机械的优化具有重大意义。
[0003]茶叶杀青是通过高温破坏和钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，抑制鲜叶中的茶多酷等的酶促氧化，蒸发鲜叶部分水分，使茶叶变软，便于操拾成形，同时散发青臭味，促进良好香气的形成的一种制茶步骤。杀青是绿茶初制的第一道工序，也是关键工序，决定了绿茶的品质。鲜叶在杀青过程中的物理变化主要为三方面：叶温变化、水分散失和体积缩小。杀青时，鲜叶和干燥器壁之间的热传递主要为热传导和热对流两种方式，由于鲜叶与干燥器壁之间存在着温度差，叶片通过吸收热量升温。在叶温升高过程中，叶片水分逐渐蒸发，首先是叶片表面水分的散失，接着叶内失水。由分析可知影响杀青效果的因素主要有温度、时间、投叶量及鲜叶质量。其中，温度是杀青的主要影响因素，温度高时，容易出现焦边现象，较嫩的叶子也会被杀焦；温度低时，杀青叶失水减少，含水量变大，影响杀青叶的质量，因此，要保证杀青质量，必须将温度控制在合适的范围内。
[0004]目前国内外对于植物干燥的研究，主要集中在牧草、茶叶和中药材等植物上，对茶叶滚筒杀青的研究，目前主要集中在理论分析方面。这些研究都没有分析滚筒杀青过程中温度场的变化情况，而茶叶在杀青过程中温度变化后，杀青叶所受的应力也将随之变化，这些都可通过对杀青过程进行模拟仿真来进一步分析。随着离散元的发展，近年来许多学者采用离散元研究散体物料间的热交换，物料在热传递过程中温度的变化情况能够直观地显示出来，这方面的研究主要集中在工业生产方面，使用离散元方法探究颗粒的密度、相互之间的接触情况对热传递的影响。由于茶叶群是不连续的离散介质，因此这种研究方法对于研究茶叶杀青有一定启示。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，基于离散元技术，分析了杀青机相关结构和运动参数对温度场的影响规律，构建了茶叶杀青相关的控制模型，对滚筒杀青机进行优化。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案解决的：
[0007]一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0008]步骤S1、确定杀青机使用过程中杀气叶的运动特点、受力情况和温度变化情况；
[0009]步骤S2、使用正交表法综合评价滚筒杀青机的滚筒转速、导叶板数量和分布、导叶板形状等结构和运动参数对杀青效果的影响；
[0010]步骤S3、利用建模软件构建杀青机的三维模型，所述模型至少包含茶叶输送装置、筒体和传动机构三个部分组成；
[0011]步骤S4、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的材料属性；
[0012]步骤S5、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的边界条件；
[0013]步骤S6、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的载荷加载设置；
[0014]步骤S7、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的求解条件设置；
[0015]步骤S8、给不同温度的颗粒标上颜色，每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青；
[0016]步骤S9、将单位长度导叶板抄起的茶叶颗粒群体作为一个运动质点来研究，进行茶叶在滚筒的受力分析；
[0017]步骤S10：研究茶叶在滚筒中的运动分析，包括茶叶在滚筒内作匀速圆周运动、茶叶在滚筒内作复合运动和茶叶颗粒作抛射运动三种运动情况；
[0018]步骤S11、茶叶应力分析；
[0019]步骤S12、基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，确立最终的优化方案。
[0020]所述的步骤2中，进行三因素三水平的试验优化，其中导叶板形状取两水平，然后通过对杀青叶的运动及温度、受力进行跟踪，得出结果。
[0021]所述的步骤3中，使用的建模软件为CATIA。
[0022]所述的步骤3中，筒体的直径为500mm，长度为2000mm，壁厚为2mm，外径为500mm，滚筒倾角为2
°
。
[0023]所述的步骤4中，颗粒间的摩擦系数为1.0，颗粒与壁面摩擦系数为0.8，颗粒比热为3.44，热传导率为0.52％。
[0024]所述的步骤5中，物理模型釆用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向和法向刚度分别为5900000N/m和6800000N/m。
[0025]所述的步骤6中，经过时间Δt后茶叶温度T
(t-Δt)
大于0，表达式为其中m为杀青叶的质量，C
v
为茶叶的比热，l
p
为连接热源的管道长度，Z为管道单位长度的热阻。
[0026]所述的步骤7中，热计算时步和机械计算时步表达式为Δt
ther
/Δt
mech
≈109l
p
；其中，其中：Δt
ther
为热计算的时步，Δt
mech
为机械计算的时步。
[0027]所述的步骤8中，杀青叶温度基本符合正态分布，标准差σ表征杀青叶叶温的均匀度，σ越小，叶温越均匀，标准差函数的表达式为
其中T1～T
n
为各粒子温度。
[0028]所述的步骤10中，当茶叶在做匀速圆周运动时，茶叶随着滚筒的转动，茶叶被导叶板提升；当茶叶在做复合运动时，茶叶在匀速圆周运动，同时开始沿导叶板滑动；茶叶上升到一定高度后，脱离导叶板作抛射运动。
[0029]所述的步骤11中，将茶叶颗粒进行应力分析，根据切应力互等定理，只需考虑τ
xy
、τ
xz
和τ
yz
，结合仿真中坐标系的设置情况和茶叶颗粒的应力分量情况，只考虑对茶叶成形作用最明显的切应力分量τ
yz
进行分析。
[0030]所述的步骤12中，基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，优化后的杀青机，在杀青质量、生产效率和能源利用率等方面均具有显著优势。
[0031]本专利技术相比现有技术有如下优点：
[0032]本专利技术一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置，通过离散元分析技术的颗粒流法，以外壁加热的滚筒杀青机为例，研究在杀青过程中，滚筒转速、导叶板结构形状、安装倾角和布置方式对杀青叶平均温度、温升速率以及本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：确定杀青机使用过程中杀气叶的运动特点、受力情况和温度变化情况；S2：使用正交表法综合评价滚筒杀青机的滚筒转速、导叶板数量和分布、导叶板形状等结构和运动参数对杀青效果的影响；S3：利用建模软件构建杀青机的三维模型，所述模型至少包含茶叶输送装置、筒体和传动机构三个部分组成；S4：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的材料属性；S5：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的边界条件；S6：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的载荷加载设置；S7：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的求解条件设置；S8：给不同温度的颗粒标上颜色，每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青；S9：将单位长度导叶板抄起的茶叶颗粒群体作为一个运动质点来研究，进行茶叶在滚筒的受力分析；S10：研究茶叶在滚筒中的运动分析，包括茶叶在滚筒内作匀速圆周运动、茶叶在滚筒内作复合运动和茶叶颗粒作抛射运动三种运动情况；S11：茶叶应力分析；S12：基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，确立最终的优化方案。2.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤2中，进行三因素三水平的试验优化，其中导叶板形状取两水平，然后通过对杀青叶的运动及温度、受力进行跟踪，得出结果。3.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤3中，使用的建模软件为CATIA。4.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤3中，筒体的直径为500mm，长度为2000mm，壁厚为2mm，外径为500mm，滚筒倾角为2
°
。5.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤4中，颗粒间的摩擦系数为1.0，颗粒与壁面摩擦系数为0.8，颗粒比热为3.44，热传导率为0.52％。6.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤5中，物理模型釆用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向和法向...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟斌，王金阳，胡智标，马宝淇，韩重阳，唐婷，郑泽锋，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：
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